新工科背景下實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程教學(xué)改革與探索

熊小慧，唐明贊，梁習(xí)鋒，孫博

（中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙 410075）

研究生教育是國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，在培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提高創(chuàng)新能力、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化方面具有重要作用。高等院校研究生教育需面向國家重大需求、優(yōu)化學(xué)科布局、瞄準(zhǔn)世界科技前沿和關(guān)鍵領(lǐng)域，進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，培養(yǎng)具有研究和創(chuàng)新能力的高層次人才。而發(fā)展基礎(chǔ)理論與推動科研創(chuàng)新均離不開實(shí)驗(yàn)研究的支撐，實(shí)驗(yàn)研究對于一門學(xué)科基礎(chǔ)理論的發(fā)展與完善具有無可替代的作用。開設(shè)高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)類課程對于高校研究生教育學(xué)科建設(shè)和高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)至關(guān)重要。

近年來，我國軌道交通發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了由“瓶頸制約”到“總體緩解”再到“基本適應(yīng)”的階段性轉(zhuǎn)變，當(dāng)前正處于交通強(qiáng)國建設(shè)的起步階段，加快建設(shè)交通強(qiáng)國和推進(jìn)交通運(yùn)輸現(xiàn)代化已成為新的戰(zhàn)略任務(wù)。隨著高速動車組從“引進(jìn)吸收消化”發(fā)展為“自主研發(fā)創(chuàng)新”，并實(shí)現(xiàn)“中國標(biāo)準(zhǔn)”，我國軌道交通專業(yè)科研人員經(jīng)歷了一段艱辛路程，當(dāng)前針對高速列車相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)問題的研究，也相應(yīng)取得了一定的成果。但對于未來新一代中國高速動車組的發(fā)展仍面臨許多重大技術(shù)挑戰(zhàn)，如一系列危及行車安全、降低旅客舒適度和影響列車周圍環(huán)境的列車空氣動力學(xué)問題。因此，仍需強(qiáng)化前沿關(guān)鍵科技研發(fā)和加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，才能保證我國高速列車關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新性和前瞻性，才可能面對未來國際市場的激烈競爭，滿足未來國際市場對于高速列車的嚴(yán)格要求和巨大競爭壓力。

軌道交通專業(yè)是一個多學(xué)科交叉、行業(yè)相關(guān)性很強(qiáng)的領(lǐng)域，列車空氣動力學(xué)作為其中一門十分重要的基礎(chǔ)學(xué)科。正如空氣動力學(xué)是發(fā)展航空航天的關(guān)鍵基礎(chǔ)學(xué)科一樣，列車空氣動力學(xué)是發(fā)展輪軌和磁浮高速軌道交通的關(guān)鍵基礎(chǔ)學(xué)科。列車空氣動力學(xué)研究的內(nèi)容不僅有類似航空航天飛行器的空氣動力特性（空氣阻力、升力、橫向力和表面分布壓力等），同時還有其特殊的空氣動力學(xué)特性（列車交會壓力波、列車—隧道耦合空氣動力、列車風(fēng)影響下道旁人員與環(huán)境所受的空氣動力、大風(fēng)環(huán)境下列車空氣動力和列車/橋梁/路堤耦合空氣動力等）。實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)作為空氣動力學(xué)體系中重要的研究方法和實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過用物理實(shí)驗(yàn)方法來研究空氣流動特性和空氣流經(jīng)物體時的相互作用規(guī)律，觀察描述理論的物理現(xiàn)象并不斷發(fā)展和完善基礎(chǔ)理論。實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)作為一門重要的實(shí)踐科學(xué)，是我國軌道交通列車空氣動力學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的主要途徑和有力保障。

一、軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀與問題

（一）課程教學(xué)及相關(guān)研究現(xiàn)狀

軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程是空氣動力學(xué)、車輛工程、測試技術(shù)及計算機(jī)應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集等多門學(xué)科相結(jié)合的交叉性學(xué)科，是從事列車空氣動力學(xué)研究方向的研究生重要課程之一。課程主要內(nèi)容包括：各種空氣動力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備的空氣動力學(xué)原理、基本構(gòu)成、模擬水平及相關(guān)的氣動計算；空氣動力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的誤差理論；氣流參數(shù)測量原理及方法；風(fēng)洞模型試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正；動模型試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、分析及修正；流動顯示技術(shù)及原理等等。軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程不僅可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法，研究列車、路橋、隧道及附屬設(shè)施與空氣相互作用產(chǎn)生的力學(xué)及其他物理現(xiàn)象，探索其流動規(guī)律，定量給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和進(jìn)行分析的能力。同時為開展軌道車輛相關(guān)的空氣動力學(xué)設(shè)計，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法來研究列車相關(guān)空氣動力學(xué)問題奠定良好的基礎(chǔ)。

目前，針對空氣動力學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)改革較多。空氣動力學(xué)是目前交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課，以流體力學(xué)為鋪墊，在流體靜力學(xué)和流體動力學(xué)的基礎(chǔ)上，涉及飛機(jī)在低速飛行時的空氣動力特性和高速飛行時的空氣動力特性。周德讓針對高職院校空氣動力學(xué)課程理論與實(shí)踐進(jìn)行了教學(xué)改革探索。溫瑞英則在對空氣動力學(xué)課程現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合民航專業(yè)建設(shè)特色，從師資隊(duì)伍建設(shè)、特色化擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容、接軌國際化教育和加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)等方面對該課程進(jìn)行了綜合改革。朱智斌等從學(xué)生和教師兩個層面對空氣動力學(xué)課程體系教學(xué)改革的外部因素進(jìn)行歸納和研究，并有針對性地提出因地制宜的解決辦法，從根本上解決當(dāng)前空氣動力學(xué)課程體系教學(xué)改革遇到的突出問題，促進(jìn)高等院校學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。王曉璐等對空氣動力學(xué)課程中引導(dǎo)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)進(jìn)行了改革，提高了學(xué)生們對新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的興趣，同時也提高了學(xué)習(xí)效率。劉沛清針對空氣動力學(xué)課程進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐，通過各種實(shí)踐活動，引導(dǎo)學(xué)生積極主動思考，從自然現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中獲得靈感、凝練問題和探索知識等，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、自我獲得新知識和創(chuàng)新實(shí)踐能力。王靖宇等通過課程實(shí)驗(yàn)、開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目等環(huán)節(jié)，著重鍛煉本科生的工程實(shí)踐動手能力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高水平人才。國外對于空氣動力學(xué)課程教學(xué)改革同樣采用實(shí)踐式學(xué)習(xí)方式，學(xué)生通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)目諝鈩恿W(xué)模型來進(jìn)行車輛氣動性能設(shè)計，鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力。這些方法在空氣動力學(xué)課程教學(xué)上均起到了良好的效果，但主要面向航空航天專業(yè)和汽車專業(yè)。而目前尚沒有針對雙一流、新工科背景下軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程進(jìn)行教學(xué)改革的實(shí)踐探索。對于軌道交通專業(yè)，實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容與航空及汽車等專業(yè)相比存在諸多特殊之處。如何建設(shè)面向軌道交通專業(yè)的實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程內(nèi)容，如何采取高效的教學(xué)方式與評估機(jī)制是當(dāng)前亟需展開教學(xué)改革與探索的主要目標(biāo)。

（二）課程教學(xué)中的關(guān)鍵問題

在面向軌道交通專業(yè)列車空氣動力學(xué)方向研究生課程實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)的教學(xué)中，關(guān)于教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式上還存在諸多問題急需解決，例如以下所提到的兩個關(guān)鍵問題。

1.新工科背景下專業(yè)基礎(chǔ)課程理論教學(xué)與工程研究的聯(lián)動協(xié)調(diào)機(jī)制問題

實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程不僅理論性與實(shí)踐操作性強(qiáng)，而且具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景。學(xué)生在課堂上接受的理論教學(xué)再多，如果沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作訓(xùn)練與工程應(yīng)用實(shí)踐，其理論知識也不能有效地轉(zhuǎn)化為科技創(chuàng)新能力。因此，在教學(xué)中需要同時兼顧知識的繼承性與先進(jìn)性，教學(xué)內(nèi)容既要涵蓋傳統(tǒng)的經(jīng)典理論知識，又要涉及大量聯(lián)系工程實(shí)踐的新成果、新知識，如何在新工科背景下構(gòu)建專業(yè)基礎(chǔ)課程理論與工程研究相銜接的教學(xué)內(nèi)容、處理好經(jīng)典與前沿的關(guān)系已成為該課程教學(xué)改革的首要關(guān)鍵問題。

2.傳統(tǒng)型知識傳授模式向多元互動型自主探索模式的教學(xué)轉(zhuǎn)變問題

課堂教育仍是新形式下高等院校研究生教學(xué)活動的主要模式，在傳統(tǒng)型“重教輕學(xué)”的課堂知識傳授過程中，學(xué)生作為知識接受者，其學(xué)習(xí)主動性與思維創(chuàng)新性受到極大的限制。而當(dāng)課堂教學(xué)模式由知識傳授型向多元互動型自主探索模式轉(zhuǎn)變時，學(xué)生從知識的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的探究者，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和熱情，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，并能夠顯著提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。新工科背景下，如何建立面向國家交通強(qiáng)國戰(zhàn)略需求和學(xué)科前沿的國際化交通類人才培養(yǎng)范式，將課堂傳統(tǒng)型知識傳授模式轉(zhuǎn)向多樣化教學(xué)模式，是該課程教學(xué)改革開展研究的又一關(guān)鍵問題。

二、軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程教學(xué)改革探索

（一）傳統(tǒng)與創(chuàng)新互補(bǔ)的教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程主要通過物理實(shí)驗(yàn)方法來研究空氣流動特性和空氣流經(jīng)物體時的相互作用規(guī)律。隨著軌道車輛運(yùn)行速度提高，列車與周圍空氣的相互作用規(guī)律越來越復(fù)雜，采用實(shí)驗(yàn)的方法開展列車空氣動力學(xué)特性研究對于軌道車輛的發(fā)展具有重要意義。在實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程的傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中，主要包括了流體力學(xué)中常用的相似理論、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析與處理、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測試的相關(guān)知識以及流場顯示與觀測技術(shù)等。因此，在保留原有經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還需要對實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)相關(guān)知識的深度及廣度等方面進(jìn)行擴(kuò)展和延伸，使授課內(nèi)容緊跟列車空氣動力學(xué)的發(fā)展前沿。

教師在講解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)內(nèi)容時，可以結(jié)合最新的列車空氣動力學(xué)研究，來拓展知識的廣度。例如在講解采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來測試列車模型的氣動阻力、列車風(fēng)時，可以補(bǔ)充一些前沿科學(xué)問題研究。如列車氣動阻力主動控制技術(shù)：在風(fēng)洞開展列車模型阻力測試時，通過在列車頭部噴射低密度氣體，改變列車頭部的附面層，能夠降低高速列車運(yùn)行過程中所受到的氣動阻力，尤其是摩擦阻力，從而達(dá)到高速列車節(jié)能降耗問題；例如列車橫風(fēng)下安全評估技術(shù)：在風(fēng)洞開展列車風(fēng)測試時，通過改變列車模型與風(fēng)洞風(fēng)速來流方向的夾角，即可模擬列車在橫風(fēng)作用下運(yùn)行所受空氣動力的影響，由此來評估列車的傾覆安全性等；例如列車風(fēng)測試時的流場顯示技術(shù)：在風(fēng)洞進(jìn)行列車風(fēng)測試時，采用PIV（粒子圖像測速法）技術(shù)對列車模型周圍流場的流動規(guī)律進(jìn)行可視化研究等。

實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程中大部分實(shí)驗(yàn)均在風(fēng)洞中開展，傳統(tǒng)的風(fēng)洞僅能實(shí)現(xiàn)模擬列車在正常凈空氣環(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)，而不能實(shí)現(xiàn)模擬極端惡劣天氣下列車的氣動性能。因此，在課程的教學(xué)內(nèi)容中可以增加環(huán)境風(fēng)洞的相關(guān)內(nèi)容。環(huán)境風(fēng)洞可以模擬列車在風(fēng)/沙/雨/雪等惡劣天氣下運(yùn)行時的空氣動力學(xué)特性。除風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺以外，動模型實(shí)驗(yàn)平臺也是實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程中教學(xué)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)教學(xué)中動模型實(shí)驗(yàn)臺主要研究列車風(fēng)、交會壓力波及隧道壓力波等方面內(nèi)容，在開展動模型實(shí)驗(yàn)平臺教學(xué)時，教師可以適當(dāng)增加前沿科學(xué)研究內(nèi)容，如動模型實(shí)驗(yàn)臺可以模擬列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時煙霧顆粒傳播規(guī)律及隧道通風(fēng)性能等；動模型實(shí)驗(yàn)臺也可研究列車通過隧道時，隧道進(jìn)出口處的微氣壓波緩解措施研究等。通過增加這些傳統(tǒng)教材上沒有的教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生深入了解列車空氣動力學(xué)領(lǐng)域的最新研究熱點(diǎn)，擴(kuò)大學(xué)生的知識面。同時，教師通過結(jié)合具體科研項(xiàng)目，給出詳細(xì)的解決方案，加深學(xué)生對該處知識點(diǎn)的了解與掌握，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

（二）多元互動型自主探索的教學(xué)模式

傳統(tǒng)型“重教輕學(xué)”的課堂知識傳授過程中，學(xué)生作為知識接受者，其學(xué)習(xí)主動性與思維創(chuàng)新性受到極大的限制。開展傳統(tǒng)型知識傳授模式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣有汀敖膛c學(xué)”的實(shí)踐探索，實(shí)施激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和科研創(chuàng)新性教學(xué)模式，是軌道交通專業(yè)實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程教學(xué)體系改革的重要內(nèi)容。多元互動型自主探索的教學(xué)模式主要包括以下幾個內(nèi)容。

（1）在課程內(nèi)容教學(xué)中，學(xué)生自由組合形成不同學(xué)習(xí)小組，每個小組負(fù)責(zé)一個教學(xué)內(nèi)容的資料搜集、撰寫和匯報，課堂匯報之前任課教師對每個小組匯報內(nèi)容進(jìn)行指導(dǎo)，在課堂匯報后，任課教師當(dāng)場對每個小組的講授內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和點(diǎn)評。通過自主探索學(xué)習(xí)，學(xué)生提高了知識搜集歸納能力、總結(jié)分析能力及匯報表達(dá)能力等，該教學(xué)模式下的課堂知識學(xué)習(xí)，使得學(xué)生成為主動者，教師成為指導(dǎo)者，極大地提高了學(xué)習(xí)效率。

（2）實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程中涉及風(fēng)洞、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和動模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，任課教師可將講堂設(shè)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室和動模型實(shí)驗(yàn)室。采取現(xiàn)場教學(xué)的方式，通過對實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面進(jìn)行講解，以及開展實(shí)驗(yàn)演示等環(huán)節(jié)。帶領(lǐng)學(xué)生身臨其境學(xué)習(xí)和探索，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新靈感。

（3）課內(nèi)外有機(jī)結(jié)合，開設(shè)專題講座，結(jié)合課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，邀請校內(nèi)外具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的專家對其研究項(xiàng)目的工程背景、研究方法及相關(guān)成果等進(jìn)行介紹，構(gòu)建一種“寓教于樂，寓學(xué)于研”的教學(xué)氛圍，從封閉式課堂轉(zhuǎn)向開放式課堂。

（三）創(chuàng)新探索的實(shí)踐環(huán)節(jié)

通過對實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生們基本掌握了該課程的基本理論知識和實(shí)驗(yàn)測試的相關(guān)技術(shù)，為了使學(xué)生們能夠更好地掌握課堂所學(xué)知識，并能達(dá)到靈活運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，將在該課程教學(xué)內(nèi)容最后期間，增設(shè)創(chuàng)新探索的實(shí)踐環(huán)節(jié)，該創(chuàng)新探索實(shí)踐環(huán)節(jié)也是結(jié)課考核中的重要指標(biāo)之一。

創(chuàng)新探索的實(shí)踐環(huán)節(jié)是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式所涉及的課程知識，依托中南大學(xué)軌道交通安全實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境風(fēng)洞、動模型實(shí)驗(yàn)平臺開展自主探索的研究性實(shí)驗(yàn)。首先由學(xué)生自由分組，每個小組依托實(shí)驗(yàn)平臺開展列車空氣動力學(xué)相關(guān)研究，自主探索研究方向需具有創(chuàng)新性，并運(yùn)用課程所學(xué)內(nèi)容自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)，各個小組完成實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容并撰寫實(shí)驗(yàn)報告。該創(chuàng)新探索的實(shí)踐環(huán)節(jié)，可培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決問題能力、實(shí)踐動手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等。

三、提升綜合素質(zhì)的考核評價體系

高校教育教學(xué)改革中，其課程考核評價體系也是重要一環(huán)，課程考核評價是權(quán)衡教育目標(biāo)設(shè)置與達(dá)成、提高教學(xué)質(zhì)量的重要因素。當(dāng)前，我國基礎(chǔ)教育課程評價存在評價對象窄化、評價主體單一、評價方法單調(diào)和評價目標(biāo)過于量化等問題。只有運(yùn)用多樣化的評價方法，同時評價目標(biāo)擺脫過于量化現(xiàn)狀，才能客觀科學(xué)地對我國基礎(chǔ)教育課程進(jìn)行評價。

在對軌道交通專業(yè)列車空氣動力學(xué)方向研究生課程實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)進(jìn)行考核評價時，可運(yùn)用多樣化的評價方法。取消以往“一考定成績”的考核方式，采用課程小作業(yè)+開放式小作業(yè)+小組課程任務(wù)+章節(jié)測試+自主創(chuàng)新探索實(shí)踐報告+結(jié)課考試/結(jié)課論文的綜合評價方式進(jìn)行課程考核，突出學(xué)生的個人學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，研究各個環(huán)節(jié)的權(quán)重關(guān)系，提高考核體系的科學(xué)化和合理化，建立符合軌道交通現(xiàn)代化教育課程的考核機(jī)制。

四、結(jié)束語

通過開展面向軌道交通專業(yè)列車空氣動力學(xué)方向研究生課程實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)的教學(xué)改革實(shí)踐探索。構(gòu)建了一套具有鮮明軌道交通特色的實(shí)驗(yàn)空氣動力學(xué)課程教學(xué)體系，并提出面向科研創(chuàng)新的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)研究生的工程實(shí)踐能力與科研創(chuàng)新精神，形成一套強(qiáng)化綜合素質(zhì)評價的考核機(jī)制。積極引導(dǎo)和開拓研究生的創(chuàng)新思維、自主學(xué)習(xí)能力、動手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識，為培養(yǎng)服務(wù)于國家交通強(qiáng)國戰(zhàn)略需求和軌道交通前沿研究領(lǐng)軍人才的后備力量提供有力支撐。